茍繼軍， 王春好， 鄧金華

(1.中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司, 北京 100055；2.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083)

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基于統(tǒng)計(jì)方法的金屬材料純凈度超聲檢測(cè)與評(píng)價(jià)

茍繼軍1， 王春好1， 鄧金華2

(1.中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司, 北京 100055；2.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083)

金屬材料的純凈度是衡量材料性能的重要指標(biāo)，傳統(tǒng)的材料純凈度超聲評(píng)價(jià)方法存在著缺陷等級(jí)劃分依據(jù)不足、不同級(jí)別缺陷的權(quán)重系數(shù)設(shè)置方法單一等缺點(diǎn)。以95CrMo鋼冶煉過程中的六個(gè)過程樣為試驗(yàn)材料，研究了基于統(tǒng)計(jì)方法的金屬材料純凈度超聲檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法，提出了新的缺陷等級(jí)劃分與權(quán)重系數(shù)設(shè)置方法來計(jì)算純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)，并對(duì)材料內(nèi)部的缺陷進(jìn)行了三維空間成像，從而使得評(píng)價(jià)結(jié)果更為全面、準(zhǔn)確。通過金相顯微鏡對(duì)六個(gè)過程樣表面的缺陷數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證了超聲評(píng)價(jià)方法的有效性。

純凈度; 超聲; 缺陷等級(jí); 權(quán)重系數(shù)

鋼的純凈度是對(duì)鋼的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)定的一個(gè)綜合指標(biāo)[1]，其主要與鋼中夾雜物的數(shù)量、組成、類型、形貌、尺寸和分布有關(guān)。簡(jiǎn)單來說，鋼中夾雜物的數(shù)量越少，尺寸越小，其純凈度就越高。常見的純凈度檢測(cè)方法有化學(xué)分析法[2-3]、標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢測(cè)法、電解萃取法[4]、ASPEX掃描電鏡法[5-6]、超聲檢測(cè)法等。其中，超聲檢測(cè)技術(shù)由于是無損檢測(cè)方法，且檢測(cè)精度高、速度快，正日益廣泛應(yīng)用于鋼的純凈度評(píng)價(jià)中。

在金屬材料純凈度的超聲檢測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者開展了相應(yīng)的研究工作。在國(guó)外， HAUSER J J等[7]于1974年提出了一種超聲檢測(cè)夾雜物的方法，通過對(duì)材料內(nèi)部不同回波幅值的夾雜物數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與掃描電鏡獲得的夾雜物平均含量進(jìn)行對(duì)照，驗(yàn)證了超聲檢測(cè)方法的有效性。1983年，SMITH J M[8]研究了鋼的純凈度檢測(cè)方法，分別對(duì)純凈度較差的鋼樣與純凈度符合生產(chǎn)要求的鋼樣進(jìn)行超聲檢測(cè)，然后統(tǒng)計(jì)各掃查點(diǎn)反射回波在某一閘門內(nèi)的幅值大小，再根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的對(duì)比來確定待檢測(cè)材料的夾雜物含量是否符合生產(chǎn)規(guī)范；這種方法可以在不對(duì)材料進(jìn)行破壞處理的情況下，對(duì)其夾雜物含量情況或純凈度水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。2008年，PANDEY J C等[9]利用了水浸超聲技術(shù)對(duì)鋼鐵材料的純凈度進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部不同尺寸等級(jí)的夾雜物數(shù)目的超聲統(tǒng)計(jì)結(jié)果與材料的全氧含量存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即材料的全氧含量越高，夾雜物的含量也越高。2010年，DIPl-ING針對(duì)傳統(tǒng)的純凈度檢測(cè)方法只能對(duì)材料表面進(jìn)行檢測(cè)，而不能獲得材料內(nèi)部信息的缺點(diǎn)，參照ASTM-E 588 《用超聲波法檢測(cè)優(yōu)質(zhì)軸承鋼中大塊夾雜物的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)范》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出了一種利用水浸聚焦超聲技術(shù)對(duì)金屬材料純凈度進(jìn)行檢測(cè)的方法，并搭建了一套金屬材料純凈度水浸超聲自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。在國(guó)內(nèi)，2004年，范海東等[10]利用高頻超聲波對(duì)GCrl5鋼中的非金屬夾雜物進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)得到的夾雜物的三級(jí)數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照ASTM-E 588標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋼的純凈度進(jìn)行了計(jì)算。2010年，楊娥等[11]利用高頻超聲波對(duì)軸承鋼材料進(jìn)行檢測(cè)，可有效判斷鋼材的質(zhì)量等級(jí)。2013年，王殿峰[12]利用高頻超聲波對(duì)S48成品鋼材一定體積內(nèi)的非金屬夾雜物進(jìn)行了檢測(cè)，通過超聲檢測(cè)可以迅速給出夾雜物的數(shù)量、分布、大小、位置等信息，檢測(cè)結(jié)果與金相法和能譜分析的結(jié)果一致。

綜上所述，前人在利用超聲方法評(píng)價(jià)金屬材料純凈度方面已經(jīng)做了較多工作，也取得了相應(yīng)成果，但仍然存在以下幾點(diǎn)不足：① 對(duì)金屬材料內(nèi)部夾雜物的等級(jí)劃分缺乏理論依據(jù)，在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中僅利用有限的幾個(gè)不銹鋼小球進(jìn)行缺陷等級(jí)劃分，無法兼顧實(shí)際檢測(cè)中存在的各類幅值不同的缺陷回波，使得純凈度評(píng)價(jià)結(jié)果存在較大誤差;② 不同等級(jí)夾雜物權(quán)重系數(shù)的設(shè)置方法單一，主要是根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，將大、中、小三個(gè)等級(jí)缺陷的權(quán)重系數(shù)簡(jiǎn)單地設(shè)為3，2，1，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律缺乏針對(duì)性的統(tǒng)計(jì)分析;③ 缺少對(duì)夾雜物空間分布狀態(tài)的表征，使得評(píng)價(jià)結(jié)果較為片面。

筆者針對(duì)上述金屬材料超聲評(píng)價(jià)方法存在的不足，在ASTM-E 588標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)純凈度的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了改進(jìn)。采用了3σ準(zhǔn)則對(duì)不同回波幅值的缺陷進(jìn)行了大、中、小三個(gè)等級(jí)的動(dòng)態(tài)劃分；根據(jù)不同等級(jí)缺陷對(duì)材料性能的不同影響，提出了新的自適應(yīng)的權(quán)重系數(shù)設(shè)置方法，并對(duì)材料內(nèi)部的不同等級(jí)缺陷進(jìn)行了三維空間成像，使得材料純凈度的評(píng)價(jià)結(jié)果更加直觀、準(zhǔn)確。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，超聲評(píng)價(jià)結(jié)果與冶金工藝分析以及金相顯微鏡檢測(cè)結(jié)論較為一致，證明了超聲評(píng)價(jià)方法的有效性與準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料的制備

試驗(yàn)材料為95CrMo 鋼，為冶煉過程中同一爐次不同冶煉階段的六個(gè)過程樣，三維尺寸(長(zhǎng)×寬×高)均為10 mm×10 mm×4 mm。其中LF1、LF2、LF3分別為鋼包精煉的初期、中期、結(jié)束時(shí)的三個(gè)過程樣；VD1、VD2、VD3則分別為真空精煉的開始、破空、結(jié)束后的三個(gè)過程樣。六個(gè)過程樣均是在冶煉時(shí)直接從鋼包中提出鋼液冷卻凝固之后切割得到的，并沒有經(jīng)過軋制處理。

從冶煉工藝來分析6個(gè)過程樣的純凈度。在經(jīng)過LF鋼包爐精煉處理之后，95CrMo鋼的純凈度將得到提高，夾雜物總量可降低50%，大顆粒夾雜物幾乎全部都能去除。因此，過程樣LF1到LF3的加工過程是一個(gè)夾雜物減少，純凈度提高，質(zhì)量改善的過程。此外，由于LF1到LF3這三個(gè)過程樣是由鋼包中直接提取鋼液凝固后得到的，沒有經(jīng)過進(jìn)一步的軋制處理，鋼液在凝固過程中，溶解的氣體只有部分逸出，因此內(nèi)部可能有較多的縮孔。真空精煉一般安排在精煉之后，是減少鋼液中氣體含量的主要手段，而且還具備脫氧、脫碳、分離夾雜、控制鋼液溫度與調(diào)節(jié)鋼液成分等功能。故，過程樣VD1到VD3的加工過程是一個(gè)鋼中氣體、夾雜物繼續(xù)減少，純凈度進(jìn)一步提高的過程。因此，對(duì)于試驗(yàn)所用的六個(gè)過程樣來說，這是一個(gè)材料內(nèi)部的夾雜等缺陷逐漸減少，鋼鐵質(zhì)量逐漸增強(qiáng)，純凈度也不斷提高的過程。

1.2 試驗(yàn)方法

利用水浸超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)上述六個(gè)過程樣進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)為：探頭頻率為30MHz,焦距為12.7 mm，晶片直徑為6 mm,掃查范圍為10 mm×10 mm,采樣率為1 GHz,步進(jìn)精度為40 μm,增益為23 dB。

采用相同的試驗(yàn)參數(shù)，分別對(duì)六個(gè)過程樣進(jìn)行掃查。若要對(duì)材料進(jìn)行純凈度的評(píng)價(jià)，需要獲得整個(gè)過程樣內(nèi)部的缺陷分布情況。由于探頭的穿透能力有限，故需要分別對(duì)過程樣的上下表面進(jìn)行聚焦檢測(cè)。以LF1過程樣某個(gè)掃查點(diǎn)的A掃波形為例，說明聚焦位置及成像區(qū)域，如圖1所示。需要說明的是，為了避免檢測(cè)結(jié)果受界面波盲區(qū)的影響，以界面波主峰值后0.5 mm處為起點(diǎn)，對(duì)之后的1.5 mm厚度范圍進(jìn)行成像。因此，對(duì)于每個(gè)過程樣，經(jīng)過正反面的兩次掃查之后，則可以對(duì)過程樣內(nèi)部3 mm厚度范圍內(nèi)的缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 過程樣檢測(cè)時(shí)的聚焦位置及成像區(qū)域示意

2 金屬材料的純凈度超聲評(píng)價(jià)

2.1 純凈度超聲評(píng)價(jià)原理

參考美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)提出的標(biāo)準(zhǔn)E 588-03中基于超聲技術(shù)的純凈度檢測(cè)方法的基本原理是：根據(jù)材料內(nèi)部缺陷回波信號(hào)的幅值大小，將缺陷信號(hào)分為大、中、小三個(gè)等級(jí)，對(duì)落入每個(gè)等級(jí)內(nèi)的缺陷回波個(gè)數(shù)NH、NM和NL進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。式(1)為定義的純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算公式:

(1)

式中:S為純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)，S越大則材料的純凈度越差，S越小則材料的純凈度越好(材料性能也相對(duì)較好)；NL、NM、NH分別為小缺陷、中缺陷、大缺陷的回波數(shù)量；a、b、c分別為小缺陷、中缺陷、大缺陷對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)；V為檢測(cè)體積，等于掃查面積與統(tǒng)計(jì)閘門寬度的乘積。

若要準(zhǔn)確得到不同純凈度材料的純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)，需要解決噪聲的去除、幅值等級(jí)的劃分和權(quán)重系數(shù)的設(shè)定等三個(gè)關(guān)鍵問題。

2.2 噪聲的去除

利用高頻超聲探頭對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于超聲信號(hào)衰減嚴(yán)重，需要設(shè)置較大的增益來獲得微小缺陷的回波信號(hào)。但隨著增益的提高，噪聲水平也相應(yīng)增加，會(huì)對(duì)有用信號(hào)的識(shí)別與提取產(chǎn)生干擾。另外，由于材料內(nèi)部的晶界散射與組織不均勻也會(huì)引起一定的結(jié)構(gòu)噪聲。圖2是LF1過程樣2個(gè)位置處的A掃波形。

圖2 LF1過程樣2個(gè)位置處的A掃信號(hào)

從圖2可以看出，若將噪聲信號(hào)當(dāng)作缺陷回波進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，則會(huì)影響材料純凈度評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。因此，應(yīng)首先去除由于增益設(shè)置較大以及材料內(nèi)部組織不均勻所導(dǎo)致的較大幅值的本底噪聲。通過對(duì)六個(gè)過程樣的A掃波形的分析發(fā)現(xiàn)，聚焦區(qū)域附近的本底噪聲水平幾乎都在±35 dB間。因此，幅值在±35 dB間的信號(hào)回波都認(rèn)為是噪聲，幅值超過±35 dB的則認(rèn)為是材料內(nèi)部的缺陷回波。在對(duì)材料內(nèi)部缺陷回波幅值與數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，應(yīng)該從絕對(duì)幅值35 dB開始計(jì)數(shù)，絕對(duì)值在35 dB以下的則作為信號(hào)的本底噪聲，統(tǒng)計(jì)時(shí)不予考慮。

2.3 缺陷信號(hào)幅值等級(jí)的劃分ASTM-E 588標(biāo)準(zhǔn)是利用不同直徑的不銹鋼小球?qū)θ毕菪盘?hào)的幅值等級(jí)進(jìn)行劃分的，即分別將超聲探頭聚焦在直徑為12,7,4 mm的不銹鋼小球表面，在相同的增益設(shè)置下記錄三個(gè)小球的回波幅值大小，進(jìn)而作為大、中、小三個(gè)等級(jí)缺陷信號(hào)的幅值門檻。此方法簡(jiǎn)單易行，但卻存在以下不足：首先，只選用了有限的幾個(gè)不銹鋼球進(jìn)行等級(jí)劃分，無法兼顧實(shí)際檢測(cè)中存在的各類幅值不同的缺陷回波；其次，不銹鋼球與被測(cè)試樣的材料不同，影響了等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的適用性。因此，筆者提出了基于3σ準(zhǔn)則的缺陷信號(hào)幅值等級(jí)劃分方法。

在對(duì)材料的純凈度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先對(duì)不同幅值范圍內(nèi)的缺陷回波數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由于每個(gè)過程樣都分別對(duì)其上下兩個(gè)表面進(jìn)行掃查，因此需要統(tǒng)計(jì)兩次掃查的結(jié)果之和。六個(gè)過程樣的幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。在每一幅圖中，橫軸代表缺陷信號(hào)的幅值，縱軸則表示各區(qū)間范圍內(nèi)每個(gè)過程樣內(nèi)部缺陷信號(hào)的數(shù)量。

圖3 六個(gè)過程樣的缺陷幅值統(tǒng)計(jì)圖

從圖3可看出：對(duì)于每個(gè)過程樣，隨著缺陷信號(hào)幅值的增大，缺陷的數(shù)量基本成遞減的趨勢(shì)；且可直觀看出，LF過程樣具有較大幅值的缺陷數(shù)量，明顯高于VD過程樣。

圖4 六個(gè)過程樣的幅值分布總體統(tǒng)計(jì)圖

3σ準(zhǔn)則是一個(gè)統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)則，描述了一組符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)在不同的數(shù)值區(qū)間范圍內(nèi)的取值概率。在正態(tài)分布中，無論樣本的均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ具體取何數(shù)值，樣本數(shù)值落在μ+3σ范圍內(nèi)的概率為99.73%，落在μ+3σ范圍之外的概率則為0.27%。借鑒這個(gè)思想，對(duì)去除噪聲后的六個(gè)過程樣的總體缺陷回波幅值分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。圖中橫坐標(biāo)代表各缺陷回波的幅值，縱坐標(biāo)為六個(gè)過程樣在每一幅值區(qū)間內(nèi)缺陷信號(hào)個(gè)數(shù)的總和。

由圖4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算得到六個(gè)過程樣缺陷幅值的平均值為μ=41.18 dB，標(biāo)準(zhǔn)差σ=11.35 dB。根據(jù)3σ準(zhǔn)則，可將缺陷回波幅值在[μ,μ+σ]區(qū)間的信號(hào)作為小缺陷信號(hào)，將缺陷回波幅值在[μ+σ,μ+3σ]區(qū)間的信號(hào)作為中缺陷信號(hào)，將缺陷回波幅值在μ+3σ以上的信號(hào)作為大缺陷信號(hào)。需要說明的是，因?yàn)閷?duì)缺陷回波幅值的統(tǒng)計(jì)是從35 dB開始的，因此以35 dB代替平均值μ=41.18 dB，作為幅值統(tǒng)計(jì)的起點(diǎn)。按照上述方法進(jìn)行計(jì)算，可得缺陷幅值等級(jí)的劃分結(jié)果：小缺陷信號(hào)幅值區(qū)間為[35，53] dB，中缺陷信號(hào)幅值區(qū)間為[53，75] dB，大缺陷信號(hào)幅值區(qū)間為[75，125] dB。在三個(gè)等級(jí)中任意選出一個(gè)缺陷信號(hào)，表示于圖5中。

在設(shè)定好的三個(gè)等級(jí)區(qū)間內(nèi)，分別對(duì)六個(gè)過程樣的缺陷數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2中不同等級(jí)缺陷的數(shù)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別畫出每個(gè)過程樣中三個(gè)等級(jí)缺陷對(duì)應(yīng)的空間分布，如圖6所示。

圖5 三個(gè)等級(jí)缺陷的信號(hào)示意

圖6 六個(gè)過程樣的不同等級(jí)缺陷空間分布圖

缺陷等級(jí)LF1LF2LF3VD1VD2VD3小缺陷159951051012590120481037114063中缺陷32083442534435106大缺陷20111032851014

由圖6可以看出，六個(gè)過程樣中，小缺陷的數(shù)量都較多， 且LF三個(gè)過程樣內(nèi)部均存在較多的中缺陷和大缺陷，而VD過程樣中的中缺陷和大缺陷則非常少，這也在整體上說明了VD過程樣的純凈度要高于LF過程樣的純凈度。

2.4 權(quán)重系數(shù)的確定

缺陷信號(hào)的回波幅值越高，說明缺陷尺寸越大，對(duì)材料性能的破壞作用也越大；反之，回波幅值越低，說明缺陷的尺寸越小，對(duì)材料性能的破壞作用也就越小。因此，在進(jìn)行純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算時(shí)，需要對(duì)不同尺寸的缺陷設(shè)置對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，以表征各等級(jí)缺陷對(duì)材料性能的影響程度。在ASTM標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)研究文獻(xiàn)中，對(duì)于大、中、小的三級(jí)缺陷，一般都只是簡(jiǎn)單地將權(quán)重系數(shù)設(shè)置為3,2，1，甚至不設(shè)權(quán)重系數(shù)，使得大缺陷對(duì)材料性能嚴(yán)重的破壞作用無法得到充分表征，對(duì)材料性能影響較小而數(shù)量又較多的小缺陷又過度重視，使得評(píng)價(jià)結(jié)果不切合實(shí)際。因此，需要在綜合考慮各等級(jí)缺陷數(shù)量的基礎(chǔ)上，自適應(yīng)地對(duì)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使各等級(jí)缺陷對(duì)材料性能不同的破壞作用都能得到合理表征。

假設(shè)六個(gè)過程樣小缺陷的數(shù)目分別為L(zhǎng)i，中缺陷的數(shù)目分別為Mi，大缺陷的數(shù)目分別為Hi(i=1～6)，并定義六個(gè)過程樣中的缺陷總數(shù)為A，表示為：

(2)

每一等級(jí)缺陷數(shù)目在缺陷總數(shù)中所占的比重vj(j=1,2,3)為：

(3)

(4)

(5)

為了凸顯大等級(jí)缺陷對(duì)材料性能的影響程度，需要對(duì)vj求倒數(shù)，得到wj(j=1,2,3):

(6)

最后進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而求得各等級(jí)的權(quán)重系數(shù)為:

(7)

(8)

(9)

根據(jù)表中計(jì)算得到的各等級(jí)缺陷的數(shù)目，代入上述公式中求得三個(gè)等級(jí)的權(quán)重系數(shù)分別為a=0.018，b=0.346，c=0.636。

2.5 純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算

在得到三個(gè)缺陷等級(jí)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)之后，利用表2中統(tǒng)計(jì)的不同等級(jí)的缺陷數(shù)目，代入式(1)中進(jìn)行計(jì)算，即可得到95CrMo 鋼冶煉過程中六個(gè)過程樣對(duì)應(yīng)的純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)，其評(píng)價(jià)指數(shù)的柱狀圖如圖7所示。

圖7 新權(quán)重系數(shù)設(shè)置方法得到的六個(gè)過程樣的純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)

通過對(duì)圖7進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于95CrMo 鋼冶煉過程中取得的六個(gè)過程樣來說，LF過程樣的純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)大于VD過程樣，進(jìn)一步驗(yàn)證了從LF精煉到VD精煉的過程是一個(gè)材料內(nèi)部缺陷減少，純凈度提高的過程。

(2) LF精煉的三個(gè)過程樣純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)變化較大，尤其對(duì)于精煉初期的LF1過程樣，其內(nèi)部各等級(jí)缺陷均較多，純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)遠(yuǎn)大于其余兩個(gè)過程樣；但隨著精煉過程的進(jìn)行，鋼液不斷地受到脫氣、脫硫等處理，材料內(nèi)部的缺陷故而減少，純凈度水平提高。

(3) VD精煉的三個(gè)過程樣純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)變化不大，相對(duì)比較穩(wěn)定。說明在經(jīng)過LF精煉過程之后，材料內(nèi)部的缺陷，尤其是大尺寸缺陷的數(shù)量較少，且隨著VD精煉過程的進(jìn)行，其純凈度會(huì)進(jìn)一步提高。

為便于對(duì)比，利用傳統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)設(shè)置方法對(duì)純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即將三個(gè)級(jí)別缺陷對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)設(shè)為3，2，1，然后按照公式(1)計(jì)算得到六個(gè)過程樣的純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 傳統(tǒng)權(quán)重系數(shù)設(shè)置方法得到的六個(gè)過程樣的純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)圖

從圖8可看出，當(dāng)大、中、小三個(gè)等級(jí)缺陷的權(quán)重系數(shù)分別設(shè)為3,2,1時(shí)，計(jì)算結(jié)果中除了LF1過程樣的純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)較大之外，剩余五個(gè)過程樣的純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)變化并沒有明顯的規(guī)律性。純凈度的變化趨勢(shì)與冶煉工藝的分析結(jié)果不符，說明了傳統(tǒng)權(quán)重系數(shù)設(shè)置方法的局限性。

綜上所述，從冶煉工藝的角度來看，LF精煉到VD精煉的過程，是一個(gè)材料內(nèi)部缺陷、氣體等逐漸減少，純凈度不斷提高的過程。筆者提出的基于動(dòng)態(tài)缺陷等級(jí)劃分與自適應(yīng)權(quán)重系數(shù)設(shè)置的純凈度評(píng)價(jià)方法得出的結(jié)論與工藝分析結(jié)果基本相符。另外，從超聲分析結(jié)果可看出，從LF精煉到VD精煉的過程中，六個(gè)過程樣的純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)并不是完全遞減的，如VD3的純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)略高于VD1和VD2的結(jié)果，初步分析認(rèn)為這是由于鋼液冷凝后內(nèi)部缺陷分布不均，取樣位置不一致所造成的。

2.6 金相結(jié)果驗(yàn)證

利用金相顯微鏡對(duì)經(jīng)拋光處理的六個(gè)過程樣的某一層進(jìn)行觀察并統(tǒng)計(jì)缺陷數(shù)目。由于過程樣內(nèi)部的缺陷是隨機(jī)分布的，所以某一層的缺陷含量可以近似代表過程樣整體的缺陷水平。對(duì)于每個(gè)過程樣，隨機(jī)選取50個(gè)不同位置保存金相圖片以充分反應(yīng)過程樣內(nèi)部缺陷含量的真實(shí)情況，部分代表性圖片如圖9所示。對(duì)金相圖中的缺陷數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)時(shí)，對(duì)視場(chǎng)范圍內(nèi)的缺陷逐個(gè)計(jì)數(shù)，最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為50個(gè)不同位置缺陷的計(jì)數(shù)累加之和，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10。

圖9 六個(gè)過程樣的典型金相圖片

圖10 六個(gè)過程樣的金相統(tǒng)計(jì)缺陷含量

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，LF1中的缺陷含量最多，LF3中的次之，LF1、LF2、LF3過程樣中缺陷含量的變化較大， VD1、VD2、VD3過程樣中的缺陷含量則基本相當(dāng)。這與超聲檢測(cè)的結(jié)果有一定的一致性，進(jìn)一步證明了超聲技術(shù)衡量材料純凈度的可行性。

3 結(jié)論

(1) 針對(duì)超聲探頭穿透能力有限的情況，采用了分層聚焦的思想對(duì)過程樣進(jìn)行檢測(cè)，即對(duì)每個(gè)過程樣分別從正反兩面掃查，并進(jìn)行缺陷統(tǒng)計(jì)，使得整個(gè)過程樣內(nèi)部都處于探頭聚焦區(qū)域附近的檢測(cè)范圍之內(nèi)，保證了檢測(cè)效果。

(2)根據(jù)不同尺寸缺陷的回波信號(hào)幅值差異，依照3σ準(zhǔn)則對(duì)缺陷等級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)劃分，通過對(duì)各類幅值不同的缺陷回波進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來確定等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。此外，在綜合考慮不同等級(jí)缺陷對(duì)材料純凈度影響程度的基礎(chǔ)上，自適應(yīng)地對(duì)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以正確表征不同等級(jí)的缺陷對(duì)材料性能的破壞作用，從而使純凈度評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算更為合理，分析結(jié)果也更加可靠。

(3) 對(duì)過程樣內(nèi)部不同等級(jí)的缺陷進(jìn)行了三維空間成像，從成像結(jié)果中可直觀地看到不同等級(jí)缺陷的數(shù)量與分布情況，并通過成像結(jié)果對(duì)不同過程樣的純凈度進(jìn)行定性比較分析，使得純凈度評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面、可靠。與傳統(tǒng)的ASTM標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重系數(shù)設(shè)置方法相比，純凈度評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

(4) 試驗(yàn)所用95CrMo鋼的六個(gè)過程樣的加工過程，從冶煉工藝的角度來看是一個(gè)內(nèi)部氣孔、夾雜等缺陷逐漸減少，純凈度不斷提高的過程。利用超聲方法對(duì)過程樣的純凈度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并利用金相顯微鏡對(duì)超聲評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，證明了基于統(tǒng)計(jì)方法的金屬材料純凈度超聲評(píng)價(jià)方法的有效性與準(zhǔn)確性。

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Ultrasonic Testing and Evaluation of the Cleanliness of Metallic Materials Based on Statistical Method

GOU Ji-jun1, WANG Chun-hao1, DENG Jin-hua2

(1.China Machinery Engineering Corporation, Beijing 100055, China; 2.School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The cleanliness of metallic material is an important indicator to measure material properties. There are many disadvantages in traditional ultrasonic evaluation method, such as the lacking basis of defect level division and the single weight coefficient setting for different levels of defect. Six process samples of 95CrMo steel were used as experimental materials to study ultrasonic testing and evaluation method of the cleanliness of metallic materials based on statistical method. New method of defect level division and weight coefficient setting were proposed in this article, and the defects in materials were 3-Dimaged, making the evaluation results more comprehensive and accurate. The ultrasonic evaluation method is proved effective by using metalloscope to count the number of defects on the surface of 6 process samples.

Cleanliness; Ultrasonic; Defect level; Weight coefficient

2016-07-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575038)

茍繼軍(1978-)，男，碩士，主要從事工程項(xiàng)目管理工作。

鄧金華，E-mail:jinhuadeng10@163.com。

10.11973/wsjc201612011

TG142.71;TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0044-08